Letzte Aktualisierung: 2. April 2022

Warum ist Tscherenkow-Licht blau? Erklärungen und physikalisches Phänomen

Das Cherenkov-Licht — Der Mach-Kegel ist ein relevantes Bild des Konzepts von Stoßwelle und Schallmauer. Wenn die Ebene Mach 1 überschreitet, fallen die Wellen in einen Kegel mit der Ebene als Spitze. Die Grenze zwischen dem Mach-Kegel und dem Äußeren bildet eine Hyperbel, die mit der Ebene fortschreitet. Die Intensität des Knalls ist das Ergebnis der abrupten Druckänderung, wenn der Luftdruck plötzlich zu seinem natürlichen Durchschnittsgleichgewicht zurückkehrt. Diese Implosion der Welle in sich selbst verursacht den Knall. FA-18 Hornet durchbricht am 7. Juli 1999 die Schallmauer durch Fähnrich John Gay, U.S. Navy

Beschreibung der Stoßwelle und des Mach-Kegels

Bevor der Cherenkov-Effekt erklärt wird, muss man das Phänomen verstehen, das die hinter einem Flugzeug erzeugte Stoßwelle erzeugt, die die Schallgeschwindigkeit (≈340 m/s) überschreitet.
Wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs geringer als die Schallgeschwindigkeit ist, breiten sich Schallwellen um das Flugzeug herum in alle Richtungen aus. Diese konzentrischen Luftdruckkugeln vergrößern ihren Radius jede Sekunde um 340 Meter und das Flugzeug befindet sich immer innerhalb der Wellenfront. Somit bewegen sich die durch die Kollisionen von Luftmolekülen erzeugten Schallwellen schneller als die Ebene und ihre Energie verschwindet langsam mit dem Quadrat der Entfernung (i=p/4πr2).
Doch mit zunehmender Geschwindigkeit des Flugzeugs rücken die Wellen vor ihm einander näher und setzen sich immer mehr ab, während sich die Wellen dahinter ausdehnen. Dieser Effekt der Ausdehnung und Kontraktion von Schallfrequenzen ist die Ursache des Doppler-Effekts (der Schall von sich nähernden Schallobjekten scheint höher zu sein!).
Die Intensität von Schallwellen kann sich summieren, ebenso wie sich die Höhe von Wellen summieren kann, wenn sie aufeinander treffen. Solange sich das Flugzeug langsamer bewegt als die von ihm erzeugten Schallwellen, bleiben die Wellen ineinander begrenzt, ohne dass sich ihre Energie addiert.

Wenn das Flugzeug jedoch Schallgeschwindigkeit erreicht und dabei von seiner aktuellen Position aus neue Wellen erzeugt, kommen die Wellen mit der gleichen Phase zusammen, sammeln sich vor ihm an und der Druck steigt plötzlich an und bildet eine Schockwelle. Dann nimmt der Druck entlang des Flugzeugs ab, um am Heck des Flugzeugs plötzlich wieder anzusteigen. Diese beiden Überdrücke verursachen zwei Überschallknalle, die so nahe beieinander liegen, dass unser Ohr nur einen davon wahrnimmt. Dieser Knall ist für die Passagiere nicht hörbar, da der Druckstoß hinter dem Flugzeug das Flugzeug nicht einholen kann. Die Stoßwellen breiten sich dann in einem Kegel aus, der Mach-Kegel genannt wird.
Sobald die Geschwindigkeit des Flugzeugs Mach 1 überschreitet, durchbricht es augenblicklich die Barriere aus komprimierter Luft, die sich vor ihm gebildet hat, wir nennen sie Schallmauer. Die erzeugte Stoßwelle führt dazu, dass die umgebende Luft plötzlichen Druck- und Temperaturschwankungen unterliegt. Es kommt vor, dass die Lufttemperatur unter den Taupunkt sinkt, der in der Luft enthaltene Wasserdampf dann zu feinen Tröpfchen kondensiert und eine Wolke bildet, die das Flugzeug bei seinem Überschallflug begleitet, wie auf dem beigefügten Foto.

Erklärung des Cherenkov-Effekts

Cherenkov-Licht, vom russischen Physiker Pavel Tcherenkov (1904-1990), ist ein Lichtblitz, der von einem Teilchen mit elektrischer Ladung erzeugt wird, wenn es sich in einem materiellen Medium (wie Wasser oder Luft) mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium ist. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleibt immer größer.
Die Analogie zwischen dem Cherenkov-Effekt und der Überschallstoßwelle ist leicht vorstellbar.
Ein Flugzeug, das sich schneller bewegt als der Schall in der Luft, erzeugt eine Stoßwelle, auf der sich alle Schallwellen befinden. Die Entsprechung zum Cherenkov-Effekt erfolgt durch Ersetzen der Ebene durch ein geladenes Teilchen und des Schalls durch Licht.
In einem materiellen Medium wie Wasser oder Luft bewegt sich Licht mit der Geschwindigkeit c1 = c/n.
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
n = Brechungsindex des Mediums immer > 1 (Beispiele: Luft=1,0003, Wasser=1,333, optische Faser=1,5, Diamant=2,41)
Ein geladenes Teilchen kann sich in diesem Medium mit einer Geschwindigkeit v größer als c1 bewegen, bleibt aber kleiner als c, was der speziellen Relativitätstheorie nicht widerspricht.
Was erklärt diese blaue Strahlungsemission im Wasser?
Das geladene Teilchen interagiert auf seiner gesamten Flugbahn mit dem Medium, das es durchquert. Während seiner Reise durch das Wasser stört es vorübergehend die Atome, denen es begegnet. Mit anderen Worten: Die Elektronen bewegen sich von ihrer ursprünglichen Position weg und kehren dann an ihren Platz zurück. Somit absorbiert jedes Atom, auf das das Teilchen trifft, die Energie und wird zum Strahlungsemitter. Alle von den einzelnen Atomen ausgesendeten Wellen überlagern sich in ungeordneter Weise, sie weisen unterschiedliche Phasen auf, sodass sich ihre Summe aufhebt.

Allerdings ist die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens im Wasser, die mit der Überschallebene verglichen werden kann, höher als die Geschwindigkeit der Welle, die von jedem Atom im Wasser ausgesendet wird. Wenn das Teilchen im Medium die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, befinden sich alle Wellen in der gleichen Phase und summieren sich daher konstruktiv wie im Fall der Überschallstoßwelle. Dieses Phänomen verursacht dann eine Wellenfront analog zur Schallmauer im Mach-Kegel. Ein plötzlicher Übergang erfolgt dann über die gesamte Flugbahn des Teilchens, also 10 Milliarden Mal pro Meter. Der Cherenkov-Effekt manifestiert sich im Laufe der Zeit durch die Emission einer Lichtwelle in allen Wellenlängen, wobei Blau und Ultraviolett vorherrschen.
Diese Blitze helfen, das blaue Licht in den Kühlbecken für abgebrannte Brennelemente von Kernkraftwerken zu erklären. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch Radioaktivität emittierte energiereiche Elektronen Geschwindigkeiten erreichen, die größer sind als die des Lichts im Wasser.
Cherenkov-Detektoren befinden sich in großen Wassertanks und werden zum Nachweis sehr energiereicher Teilchen verwendet (Antarctic Myon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
Cherenkov-Licht ist auch an der Detektion von Neutrinos beteiligt, die bei Kernreaktionen im Herzen der Sonne entstehen (Sudbury Neutrino Observatory).
Die Apollo-Astronauten beklagten sich alle während ihrer Missionen über Phosphene. Es wurde festgestellt, dass diese leichten Sehstörungen auf den Cherenkov-Effekt zurückzuführen sind. Sonnenwindpartikel, die durch die Flüssigkeit in den Augäpfeln strömen, erzeugen Phosphene. Solche Phosphene kommen auch auf der Erde vor, durchschnittlich ein bis zwei pro Person und Jahr.